Termodinamica classica
sistema termodinamico: insieme di corpi di cui si studiano le
proprieta’ fisiche macroscopiche e le loro variazioni nel tempo
ambiente termodinamico: insieme dei corpi con cui il
sistema termodinamico in esame puo’ interagire
universo termodinamico: insieme costituito dal sistema
termodinamico e dall’ambiente circostante
A.A. 2014-2015
Universo Termodinamico
Ambiente Termodinamico
Sistema Termodinamico
la termodinamica classica studia gli scambi di energia
sotto forma di lavoro meccanico e di calore tra una porzione finita di materia detta
sistema termodinamico limitata da una superficie arbitraria, reale o immaginaria,
e la materia che circonda il sistema termodinamico stesso detta ambiente termodinamico.
Considerati assieme il sistema e l’ambiente formano l’ universo termodinamico, inteso
in senso locale
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la separazione dell’universo in sistema ed ambiente è del tutto arbitraria per cui
è sempre possibile suddividere il sistema in sottosistemi, oppure unire più sistemi
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in un unico sistema o pensare l’ambiente come un secondo sistema
un sistema termodinamico si definisce :
aperto: se sono possibili scambi di materia e di energia con l’ambiente
chiuso: se sono possibili scambi di energia, ma non di materia con l’ambiente
isolato: se non sono possibili ne’ scambi di materia, ne’ di energia con l’ambiente
es. di sistema aperto : liquido in ebollizione in una pentola aperta
es. di sistema chiuso : liquido in ebollizione in una pentola a pressione
Differenza tra grandezze fisiche interne al sistema e grandezze fisiche macroscopiche
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Coordinate ( variabili ) termodinamiche
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la descrizione di un sistema termodinamico è fondata sul concetto di stato termodinamico:
lo ” stato termodinamico ” di un sistema termodinamico è l'insieme dei valori assunti
dai parametri macroscopici che lo caratterizzano
si definiscono ”coordinate termodinamiche” o “ variabili di stato ” le grandezze fisiche
(x1 , x2 , …, xn ) che descrivono lo stato termodinamico di un sistema termodinamico
es. • sostanza pura in fase gassosa
• filo in tensione
• sostanza paramagnetica
volume (V), pressione (P), temperatura (T), numero moli (N)
tensione (τ), lunghezza (L), temperatura (T)
magnetizzazione (M), campo magnetico (H), temperatura (T)
le coordinate termodinamiche sono dette:
estensive se sono dipendenti dalle dimensioni del sistema e ne descrivono proprietà globali
[ volume (V), numero di moli (N),…]
intensive se sono indipendenti dalle dimensioni del sistema e ne descrivono proprietà locali
[ pressione (P), temperatura (T),…]
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Cambiamenti di stato
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si verifica sperimentalmente che lo scambio di energia tra sistema ed ambiente è sempre
caratterizzato dalle seguenti proprietà :
variano col tempo le coordinate termodinamiche sia del sistema che dell’ambiente,
si verifica un “ cambiamento di stato “
se ambiente e sistema non scambiano energia con l’esterno, se sono isolati,
dopo un certo tempo lo scambio di energia tra sistema ed ambiente cessa, e le coordinate
termodinamiche del sistema e dell’ambiente raggiungono valori che verranno poi mantenuti
invariati nel tempo
si definisce “stato di equilibrio termodinamico” lo stato costante nel tempo raggiunto dal sistema
a seguito dello scambio di energia, sotto forma di lavoro meccanico e/o calore, del sistema con
l’ambiente, sempre nell’ ipotesi che ambiente e sistema siano isolati dall’esterno
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nello stato di equilibrio ogni scambio di energia si interrompe dunque per avere equilibrio
termodinamico si deve avere ad ogni istante ed in ogni punto del sistema e dell’ambiente:
equilibrio meccanico,
equilibrio chimico
equilibrio termico
temperatura costante
in uno stato di equilibrio termodinamico esiste una precisa relazione tra le coordinate
termodinamiche, detta “equazione di stato”
es. le variabili termodinamiche per una mole di gas omogeneo e chimicamente puro in equilibrio
termodinamico sono pressione P, volume V e temperatura T e in questo caso
l’equazione di stato e’ data da una relazione del tipo f ( P, V, T ) = 0
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Trasformazione termodinamica
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si definisce “trasformazione termodinamica” la variazione nel tempo delle coordinate
termodinamiche determinata dallo scambio di energia, lavoro e calore, tra sistema ed ambiente
Attenzione : si assumera’ che lo stato iniziale e quello finale di una qualsiasi
trasformazione termodinamica siano sempre stati di equilibrio termodinamico viceversa,
gli stati intermedi attraverso cui passa il sistema in generale non sono stati di equilibrio
e, durante una generica trasformazione, non sara’ possibile determinare tutte le variabili
termodinamiche del sistema con le sole eccezioni delle trasformazioni quasi statiche
e delle trasformazioni reversibili
se gli stati iniziale e finale coincidono si parlera’ di “ trasformazione ciclica ”
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Trasformazioni quasi-statiche :
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una trasformazione quasi-statica è una trasformazione che avviene in modo estremamente
lento nel tempo, di modo che che il sistema in esame passi dallo stato iniziale a quello finale
attraverso una successione infinita di stati di equilibrio
motivazioni:
una successione
infinitamente lenta consente di variare le variabili di stato tramite incrementi
infinitesimi
considerando variazioni di tempo infinitesime
che mutano istantaneamente le condizioni
del sistema diviene possibile applicare il calcolo infinitesimale alle equazioni termodinamiche
soltanto le trasformazioni quasi-statiche possono essere rappresentate come linee continue in un
diagramma pressione volume
una trasformazione quasi-statica è irrealizzabile nella pratica, in quanto richiederebbe un
infinita’ di tempo per compiersi
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Trasformazioni reversibili :
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una trasformazione e’ detta reversibile se può essere invertita riportando il sistema
termodinamico nelle condizioni iniziali, senza che ciò comporti alcun cambiamento nel
sistema e nell’ ambiente, ( nell’ universo termodinamico,) in particolare durante una
trasformazione reversibile non si deve avere dissipazione di energia
una trasformazione reversibile deve essere quasi-statica, mentre non e’ vero il contrario
una trasformazione reversibile’ non è realizzabile nella pratica, perche
richiederebbe un tempo infinito per compiersi, e dovrebbe avvenire in totale assenza di attrito
nonostante cio’ lo studio delle trasformazioni reversibili e’ di grande utilita’ teorica
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Trasformazioni irreversibili :
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ogni trasformazione non reversibile è detta irreversibile
una trasformazione irreversibile può avvenire in una sola direzione e, una volta raggiunto lo
stato finale, non è possibile tornare allo stato iniziale senza comportare alcun cambiamento nel
sistema stesso e/o nell‘ ambiente circostante
in natura tutte le trasformazioni sono irreversibili
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una sostanza si dice :
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diatermica se consente il raggiungimento dell’equilibrio termico
adiabatica se impedisce il raggiungimento dell’equilibrio termico
un sistema adiabatico e’ perfettamente isolato, nel senso della trasmissione del calore e
sono dette “adiabatiche” le trasformazioni termodinamiche che avvengono senza scambio
di calore
a causa della trasmissione del calore per irraggiamento una parete reale non potra’ mai essere
perfettamente isolante
attenzione: adiabatico e’ anche sinonimo di variazione infinitamente lenta nel tempo
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Convenzione, ingegneristica, sui segni degli scambi di calore e lavoro
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il calore che entra in un sistema dall’esterno e’ positivo
il calore che esce da un sistema verso l’esterno e’ negativo
il lavoro compiuto dal sistema sull’esterno e’ positivo
il lavoro compiuto dall’esterno sul sistema e’ negativo
attenzione :
la convenzione dei segni e’ relativa ai flussi di energia che riguardano il sistema
per l’ambiente circostante le cose sono opposte
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